岩体中爆炸波识别及其动力学耦合效应研究

爆炸瞬间将在岩体类介质中激起复杂的爆炸波，其作用直接导致了目标区介质的破坏，并在区外产生损伤及地震。很多研究多集中于爆破地震，对破碎及损伤区内爆炸波特征和作用规律缺乏深入系统的研究。本课题拟通过建立瞬时爆炸波压拉信号正确性测试和误差分析技术，实现爆炸波动应变信号的有效捕捉和干扰信号屏蔽，并建立爆炸波波形正确性定量判读标准。在此基础上，研究与装药结构相关联的爆炸波波形特征、作用及传递规律；通过对不同时空点上的爆炸波波形辨识，识别爆炸波各组分，建立与炸药爆轰结构相关联的岩体中爆炸波各组分产生关系；基于爆后岩体损伤，建立与爆炸波各组分相关联的岩体损伤演化规律。根据爆炸波各组分衰减规律，提出与炸药类型、爆炸波组分和岩体破坏三者紧密相关的爆炸波各组分能量产生、能量分配及精确破岩方式。爆源近区爆炸波规律的研究将对爆破工程、防护工程、岩体本构关系、爆炸地震波震源特性等研究具有非常重要的理论及工程意义。

炸药在岩体中爆炸时，直接导致了目标介质的破坏，并在区外产生损伤及地震。课题针对不同试验条件下炮孔周围岩体类介质中激起的复杂爆炸波、产生机制和破坏作用进行了系统研究。.首先，通过超动态测试系统匹配、传感器选择和动态标定，解决了爆炸波信号采集问题，建立了爆炸波波形正确性判断标准，实现了超动态动应变信号的90％捕捉和干扰信号屏蔽。.其次，在实验室制作了1200mm×800mm×350mm的矩形混凝土模型。在无裂隙和有裂隙条件下，开展了空气不耦合、水耦合装药单孔和双孔装药爆炸波测试实验，对比研究了距爆点不同距离处与装药结构相关联的爆炸波波形特征、作用和变化规律。表明爆炸瞬间在炮孔周围激起的爆炸波有三部分组成，即爆炸冲击波、应力波和爆炸气体作用，三者依次在时间上作用于介质，并在空间上随着距离而衰减成为地震波。其它条件不变时，水耦合条件下的爆炸冲击波加载持续时间、大小和加载率与空气不耦合相当，对混凝土作用也相同，即产生新裂纹和使原有裂纹启裂。水耦合和空气不耦合时的爆炸气体作用为准静态作用，持续时间相当。但水耦合时的应力大于空气不耦合，加载稳定性明显优于空气不耦合，两者的作用都是继续扩展裂纹，但不能产生新的裂纹，水耦合对裂纹扩展更有利且效果好。双孔同爆时，激发的爆炸波互相叠加，波形复杂，在两孔连线上易于产生扩展性裂纹，水耦合比空气耦合效果好。.第三，通过空气不耦合、水耦合条件和双孔爆炸等条件下的爆炸波识别，就各分离区的应力峰值、加卸载应变率、质点运动速度、质点加速度等基本特征参数进行了定量分析，提出了不同试验条件下与爆炸波各分离区相关联的爆炸波破岩过程，建立了各分离区的动力学基本特征参数与装药结构、到爆源中心的距离之间的关系。通过与炸药爆轰理论相关联的爆炸波组分产生机制研究，表明了炸药冲击波阵面与爆炸波中冲击波区、炸药化学反应区与爆炸波中应力波区和炸药反应产物与爆炸波中的爆炸气体膨胀区有一定的数量关系，建立了炸药爆轰结构、应力波理论相联系的爆炸冲击波、应力波、爆生气体膨胀作用产生机制，为开展定量计算研究奠定了基础。.最后，通过与爆炸波相关联的爆后岩体裂纹扩展和破碎效果的声波测试、观测和拍照等，对爆后模型损伤效应进行了研究，建立了与爆炸波各分离区作用过程相关联的裂纹累积损伤连续扩展破坏机理，提出了通过改变炸药类型和装药结构以控制爆炸波各分离区波形，达到即破坏目标岩体，又防围岩损伤。